一种WSNs中基于分簇和能量中继的移动充电方法技术

本发明专利技术公开了一种WSNs中基于分簇和能量中继的移动充电方法，首先将全网的节点进行分簇，根据节点的能耗速度、剩余能量和距离基站节点的距离选取簇头，计算相应簇半径；簇头节点也将作为充电器进行能量传输和数据收集的驻留点；其次，基站根据节点发送的充电请求，规划相应的充电路径，派出充电器为节点充电；簇内的节点通过能量中继的方式进行有效的能量传输；当节点需要紧急充电时，基站会根据多种因素确定响应节点紧急充电请求的充电器。本发明专利技术将充电过程与数据收集过程相结合，将数据分为敏感数据和不敏感数据并采取不同的收集策略。本发明专利技术能够平衡网络中各簇之间的能量消耗，提高充电有效性和网络的可扩展性，从而最大化网络的寿命。

A mobile charging method based on clustering and energy relay in WSNs

The invention discloses a charging method of mobile cluster and energy relay based on a WSNs, the whole network nodes are divided into clusters, according to the energy consumption rate, the residual energy of node and the distance from the base station node distance of cluster head selection, calculate the radius of the clusters; cluster head nodes will also be resident point energy charger transmission and data collection; secondly, the base station node sends request according to the charging, the charging path planning accordingly, sent a charger for charging nodes within the cluster node; the energy transmission through the effective energy relay way; when the node needs emergency charging, the base station will determine the node emergency charging request response according to various factors of the charger. The invention combines the charging process with the data collection process and divides the data into sensitive and insensitive data and adopts different collection strategies. The invention can balance the energy consumption between the clusters in the network, improve the charging effectiveness and the scalability of the network, thus maximizing the lifetime of the network.

【技术实现步骤摘要】
一种WSNs中基于分簇和能量中继的移动充电方法
本专利技术属于无线传感器网络节点能量补充
，具体涉及一种WSNs中基于分簇和能量中继的移动充电方法。
技术介绍
能量问题是制约无线传感器网络应用的主要因素之一。一般情况下，无线传感器网络中的节点都由电池进行供电，节点有限的电池容量严重影响了网络的生命周期。近几年，相关人员在优化节点电池使用时间，延长网络寿命方面做了很多的研究、研究工作主要分为两个方面：降低节点的能耗和对节点进行能量补给。其中，降低节点能耗主要是通过降低节点在日常感知、通信方面的开销以及对路由，数据收集以及睡眠调度等算法的研究与优化来尽可能的延长节点的存活时间。这种方法只能暂时延长网络的寿命，无法从根本上解决网络的能耗问题。另一方面是对节点进行能量补给；节点的能量补给方式也有多种，例如：为节点安装能量收集装置，使其从周围的环境中收集能量(例如：太阳能、风能等)。但这种能量补给的方式不稳定，易受到周围环境因素变化的影响，因此，通过该方式获得的能量强度比较低。无线能量传输技术的突破性发展为网络节点能量补给提供了新的方式。相比于上述的能量收集技术，无线能量传输技术具有较高的能量传输的有效性。通过在节点处安装无线能量收集装置，将能量发射装置部署在可移动的小车或者无人机上充当移动充电器，通过装置的移动，实现对全网节点的能量补给。通过在无线传感器网络中引入无线能量收集技术，可以从根本上解决无线传感器网络的能源有限的问题。同时，通过对移动充电器的控制，可以实现对节点可控的充电，例如：规划节点的充电顺序或者实现多个充电器之间的协同合作。为了提高无线充电技术的充电效率，国内外研究专家提出了许多不同的充电方法，相关的文献如下：2014年，Guo等人在《JointMobileDataGatheringandEnergyProvisioninginWirelessRechargeableSensorNetworks》中，首次联合考虑在大规模无线传感器网络中充电路径规划和充电补给站的定位问题。本文提出的方法将要解决的问题分为三个阶段：充电路径规划，候补补给站的定位与数量减少，充电路径的安排。本文提出的算法为了提高移动充电器工作时的有效性，考虑了移动充电器充电周期和节点工作周期之间的关系。已有方法的局限性在于小容量的充电器会更早的结束充电周期，大容量的充电器会在其将其所拥有的能量全部传给节点之后回到补给站为其自身进行充电。本文提出的方法很好的克服了该局限性。作者提出的算法减少了充电器的数量和充电器在旅途中消耗的时间。2015年,Xie等人在《Multi-NodeWirelessEnergyCharginginSensorNetworks》中采用近几年在磁谐振耦合方面取得的进步来实现同时为多个节点进行充电。作者采用无线充电装置周期性的在网络中进行游走，为节点提供无线方式的充电。基于无线充电装置的充电范围，作者提出一种蜂窝结构，即将整个二维平面分解成多个相互连接的六边形晶胞，随后，进一步对游走的路径、数据的路由和充电的时间进行联合的优化，提出一种优化架构。通过采用离散化和线性化再形成技术，提出一种可证明的近似优化的算法，近似算法的精确度也可以得到控制。文章有效的解决无线充电技术中可扩展性性问题。2016年，Zhang等人在《OptimizingItinerarySelectionandChargingAssociationforMobileChargers》中研究了移动充电器的路径选择与充电安排的最优化问题。这篇文章的目标是最大化网络寿命，最优化充电时序的有效性，最小化充电时延。已有的方法在可充电设备的能量消耗随时间发生波动的情况下，有效性和扩展性能较差。在这篇文章中，作者考虑的是如何用已经规划好的路线来实现可扩展的无线充电，提出了ISCA问题：给定一组充电设备和一组候补充电线路，如何进行路径的选择并且相应的进行一种充电安排，最小化由于充电器移动和无线充电过程中带来的损耗，同时保证各设备均能获得相应的能量。文章中考虑了两种情况，一种是当每条路径只能使用一次时，提出一种近似比为O(LnM)的实际启发式算法，M为设备的数量，一种是更为一般的情况，一条路径可被多次使用，使用原始对偶机制，提出一种参数近似算法与基于集合覆盖的算法，提出的算法将浪费的能量减少了65％。2016年，Wang等人在《AHybridFrameworkCombiningSolarEnergyHarvestingandWirelessChargingforWirelessSensorNetworks》中研究了在无线传感器网络中将太阳能能量收集技术和无线充电技术相结合的一种混合框架，即簇头节点安装太阳能电池板收集能量，普通的节点通过无线充电的方式进行能量的收集。作者通过三步来解决该问题，在最小化成本的前提下研究太阳能供电节点的部署问题；建立网络的能量平衡，即每个节点充电的总能量要不小于其消耗的总能量；解决如何利用充电器和不同种类节点的数量数目来合理的完成能量补充和数据收集的过程。该算法能够有效的减少电池损耗和系统成本。2017年，Lin等人在《TSCA:ATemporal-SpatialReal-TimeChargingSchedulingAlgorithmforOn-DemandArchitectureinWirelessRechargeableSensorNetworks》提出一种请求式充电架构中时空充电调度算法，它的目标在于最小化死亡节点的数量，最大化能量有效性。当收到充电请求时，无线充电装置会设计自身的移动方案，为了具有更高的充电有效性，引入基础路径规划算法来调整充电次序，但这只能实现部分节点的优化，不能做到全局的优化。在全局优化方面，作者引入节点删除，删去充电有效性低的节点；节点插入，插入之前被遗弃的节点，从而达到全局充电性能的优化。本算法能够有效的提高充电有效性，减少充电请求响应的时间。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种WSNs中基于分簇和能量中继的移动充电方法，通过对网络区域进行分簇，规划充电器的充电路径，控制簇内的充电方式，实现充电过程与数据收集过程的相结合，从而最大化充电器的充电有效性和网络寿命。实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：一种WSNs中基于分簇和能量中继的移动充电方法，包括以下步骤：(1)将全网的节点进行分簇，根据节点的能耗速度、剩余能量和距离基站节点的距离选取簇头节点并计算相应簇半径，簇头节点也将作为充电器进行能量传输和数据收集的驻留点；(2)基站根据节点发送的充电请求，规划相应的充电路径，派出充电器为节点充电；(3)簇内的节点通过能量中继的方式进行能量传输；(4)当节点需要紧急充电时，基站根据设定的多种因素确定响应节点紧急充电请求的充电器。进一步地，当网络中的某节点能量下降到预先设置的普通阈值时，向基站发出充电请求，随后基站通知全网进行分簇，所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1.1)根据节点的剩余能量、节点的能量消耗速率和距离基站节点的距离，为每个节点设置一个名为factor的值，factor值具体的计算公式如下：其中，factori表示节点i的factor的值，α表示选举因素的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种WSNs中基于分簇和能量中继的移动充电方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将全网的节点进行分簇，根据节点的能耗速度、剩余能量和距离基站节点的距离选取簇头节点并计算相应簇半径，簇头节点也将作为充电器进行能量传输和数据收集的驻留点；(2)基站根据节点发送的充电请求，规划相应的充电路径，派出充电器为节点充电；(3)簇内的节点通过能量中继的方式进行能量传输；(4)当节点需要紧急充电时，基站根据设定的多种因素确定响应节点紧急充电请求的充电器。

【技术特征摘要】
1.一种WSNs中基于分簇和能量中继的移动充电方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将全网的节点进行分簇，根据节点的能耗速度、剩余能量和距离基站节点的距离选取簇头节点并计算相应簇半径，簇头节点也将作为充电器进行能量传输和数据收集的驻留点；(2)基站根据节点发送的充电请求，规划相应的充电路径，派出充电器为节点充电；(3)簇内的节点通过能量中继的方式进行能量传输；(4)当节点需要紧急充电时，基站根据设定的多种因素确定响应节点紧急充电请求的充电器。2.根据权利要求1所述的一种WSNs中基于分簇和能量中继的移动充电方法，其特征在于：当网络中的某节点能量下降到预先设置的普通阈值时，向基站发出充电请求，随后基站通知全网进行分簇，所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1.1)根据节点的剩余能量、节点的能量消耗速率和距离基站节点的距离，为每个节点设置一个名为factor的值，factor值具体的计算公式如下：其中，factori表示节点i的factor的值，α表示选举因素的权重，Ei_residual为节点i的剩余能量，Ei_node为节点i的电池容量，Ei_consume表示上一轮分簇结束到下一轮分簇开始节点i消耗的能量，Eavecons代表上一轮分簇结束到下一轮分簇开始网络中的节点平均消耗的能量，di_to_sink表示当前节点i距离基站节点的距离，dto_sink_max表示所有节点到汇聚节点距离的最大值；(1.2)将所有节点依据factor的值进行降序排序，选出factor值最大的节点作为簇头节点，并计算相应的簇半径，位于簇半径内的点加入该簇；然后，将已经分好簇的节点从依照factor值排序的顺序删掉，重复上述过程，直至所有的节点均加入相应的簇；其中：簇半径的选取综合考虑了簇头节点距离基站节点的距离，簇头节点周围邻居节点的数目，簇头节点相应的簇半径的计算公式如下：其中，η表示调节系数，di_to_sink为节点i到基站节点的距离，dto_sink_max为网络中所有节点到基站节点距离的最大值，dto_sink_min为网络中所有节点到基站节点距离的最小值，A(dto_sink)表示所有簇头节点距离基站节点的平均距离，Nnbr表示节点度即周围邻居节点的个数，Nalive表示当前存活的节点数目，R表示最大的簇半径。3.根据权利要求1所述的一种WSNs中基于分簇和能量中继的移动充电方法，其特征在于：当节点的剩余能量下降到预先设定的普通充电阈值时，向基站发送充电请求；当基站收到的充电请求的数量达到与预先设定的阈值时，基站根据请求所在簇的簇头的位置和请求到达的时间规划充电器的充电路径，所述步骤(2)具体为：(2.1)定义一个簇的生命周期为形成簇到簇内出现第一个节点死亡的时间，簇平均生命周期的计算方法如下：假设每个节点能耗速度不随时间变化，则簇内平均能量消耗速度计算公式为：其中，vj_E_cons为簇内第j个节点的能量...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩光洁，管浩斐，杨璇，刘立，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32